工程地質(zhì)學 土的力學性質(zhì)

工程地質(zhì)學ENGINEERINGGEOLOGY本章主要內(nèi)容(MainTopics)

1、土的力學性質(zhì)Mechanicalpropertyofsoil

2、土的壓縮性Compressibilityofsoil

3、土的抗剪性Shearpropertyofsoil

4、土的擊實性第三章土的力學性質(zhì)

Chapter3Mechanicalpropertyofsoil

土的力學性質(zhì)

土的力學性質(zhì)：土在外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)主要包括：

1、壓縮性：在壓應(yīng)力作用下體積的縮小

2、抗剪性：在剪應(yīng)力作用下抵抗剪切破壞

3、在動荷載作用下所表現(xiàn)的一些性質(zhì)，如動力壓實性第一節(jié)

土的壓縮性

一、壓縮變形的本質(zhì)土的三相組成決定了土的壓縮變形由三部分組成

1、土粒本身的壓縮變形

2、孔隙中水和氣的壓縮變形

3、孔隙中水和氣被擠出，土顆粒相互靠攏，孔隙體積縮小土壓縮的主要原因是由于孔隙中水和氣體被擠出，土顆粒相互靠攏，致使孔隙體積減小而引起的二、壓縮試驗與壓縮定律

1、壓縮試驗的分類試驗方法室內(nèi)壓縮試驗現(xiàn)場載荷試驗土被壓縮的條件

無側(cè)向膨脹(有側(cè)限)試驗

—主要的試驗方法有側(cè)向膨脹(無側(cè)限)試驗壓縮儀WG型系列單杠桿固結(jié)儀(南京土壤儀器廠)K0固結(jié)儀、氣壓固結(jié)儀(南京土壤儀器廠)側(cè)限壓縮試驗示意圖荷載加壓上蓋環(huán)刀自由水面護環(huán)透水石土樣底座透水石側(cè)限壓縮試驗

2、室內(nèi)無側(cè)向膨脹壓縮試驗的過程壓縮試驗P1,.p2p3,…...h可以測量高度的變化，如何轉(zhuǎn)變成孔隙比的變化VsoVvoF=1Vs1Vv1F=1h0h1h加壓前e0加壓后e1一般地，p1，p2，p3，…h(huán)1，h2，h3，…e1，e2，e3，...ee1e2p1p2pa稱為壓縮系數(shù)（coefficienntofcompression），單位1/KPa，或1/MPa1.00.80.60.402004006008001000p1p2M1M2e1e2

P

e軟粘土密實粘土P(kPa)e1e2e0e200400800100502512.5P(log)(a)e~p曲線(b)e~logp曲線e

3、壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)：表征土壓縮性大小的重要指標α愈大，說明土的壓縮變形量越大以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa時相對應(yīng)的壓縮系數(shù)α1-2作為判斷土的壓縮性標準

0.1

0.5低壓縮性中壓縮性高壓縮性

4、壓縮定律在壓力不大的情況下，孔隙比的變化與壓力的變化成正比

5、壓縮模量(Es)壓縮模量(Es)：土在側(cè)限條件受壓時，在受壓方向上的應(yīng)力σz與相應(yīng)的應(yīng)變εz之間的比值工程中以p1=0.1Mpa，p2=0.2Mpa相應(yīng)的Es評價土的壓縮性低壓縮性土:Es>15Mpa中壓縮性土:4Mpa<Es≤15Mpa

高壓縮性土:Es≤4Mpa

6、土的變形模量(E0)土的變形模量(E0)：指土在無側(cè)限壓縮條件下，壓應(yīng)力與相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的比值它是通過現(xiàn)場載荷試驗求得的壓縮性指標由于載荷試驗的諸多不便，一般情況下可根據(jù)壓縮模量間接求

7、側(cè)壓力系數(shù)、側(cè)膨脹系數(shù)側(cè)膨脹系數(shù)——無側(cè)限條件下，側(cè)向膨脹應(yīng)變與豎向壓縮應(yīng)變之比側(cè)壓力系數(shù)——側(cè)限條件下側(cè)向壓力與豎向壓力之比先期固結(jié)壓力pc土在歷史上曾經(jīng)經(jīng)受過的最大固結(jié)壓力稱為先期固結(jié)壓力超固結(jié)比OCROCR——OverConsolidationRatio先期固結(jié)壓力和現(xiàn)有土層上覆壓力之比粘性土的固結(jié)狀態(tài)1、正常固結(jié)土pC=p0

原地面（現(xiàn)地面）

Z

pC=

p0=’Zelgp粘性土的固結(jié)狀態(tài)2、超固結(jié)土pC>p0

原地面

Z現(xiàn)地面

p0=’Zp0pC粘性土的固結(jié)狀態(tài)3、欠固結(jié)土pC<p0

現(xiàn)地面

pc<p0=’ZpCp0OCR〈1第二節(jié)

土的抗剪性土的抗剪性(抗剪強度)：土抵抗剪切破壞的極限強度，是研究土體穩(wěn)定性的一個極為重要的工程地質(zhì)性質(zhì)土是由固體顆粒組成的，土粒間的連結(jié)強度遠遠小于土粒本身的強度，在剪應(yīng)力作用下，多數(shù)土體發(fā)生的剪切破壞，并不是土粒本身的破壞，而是土粒間發(fā)生相對錯動，引起土的一部分相對另一部分沿著某個面發(fā)生與剪切方向一致的滑動大地的局部化開裂多之形雁形鋸齒形研究土的抗剪強度的途徑，主要是模擬土剪切破壞時的應(yīng)力和工作條件，利用室內(nèi)或現(xiàn)場進行土的剪切試驗

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)直剪儀水平力Tp垂直壓力

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力直剪儀

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力直剪儀

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力直剪儀

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力直剪儀

土的抗剪強度試驗

1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力直剪儀1、直剪試驗（直接剪切試驗,Directsheartest)水平力Tp垂直壓力正應(yīng)力（NormalStress）剪應(yīng)力（ShearStress）F(kPa)

f

(kPa)粘性土砂土CC－土的粘聚力(Cohension)

－土的內(nèi)摩擦角(Angleofinternalfriction)直剪儀直剪預(yù)壓儀庫侖定律在一定載荷范圍內(nèi)，土的抗剪強度與法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系其中C、被稱為土的抗剪強度指標庫侖定律說明：巨粒土和粗粒土的抗剪強度決定于與法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力而細粒土的抗剪強由兩部分組成，一部分是與法向壓力成正比的內(nèi)摩擦力，另一部分與法向壓力無關(guān)的內(nèi)聚力。庫侖定律表明

1)、巨粒土和粗粒土的抗剪強度與其內(nèi)摩擦角的正切成正比，而內(nèi)摩擦角與組成土的礦物性質(zhì)和土的密度有關(guān)。組成巨粒土和粗粒土的礦物越堅硬，顆粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，內(nèi)摩擦角越大。這兩類土的密度越高，內(nèi)摩擦角也越大。松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦角與其自然堆積時所形成的最大坡角－天然休止角近似相等。工程實際中，常用砂土天然休止角代替松散狀態(tài)砂土的內(nèi)摩擦角。

土類狀態(tài)粗砂土中砂土細砂土粉砂土松散34302825稍密36333028中密38363432密實41383634砂土的內(nèi)摩擦角φ參考值（°）

2)、細粒土的抗剪強度由內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力組成，而且以內(nèi)聚力為主。細粒土中粘粒含量越多，土粒間的連結(jié)越強，內(nèi)聚力越大，內(nèi)摩擦角越小，但抗剪強度仍可增大。細粒土的液性指數(shù)越大，即天然含水率越高，則土的連結(jié)強度越低，抗剪強度越小。尤其是液限狀態(tài)的擾動土，幾乎是沒有抗剪強度的。細粒土的密度越大，抗剪強度越大。

粘土粉質(zhì)粘土粉土φCφCφC（o）（PMa）（o）（PMa）（o）（PMa）<0220.100250.060280.0200-0.25200.060230.040260.0150.25-0.50180.040210.025240.0100.50-0.75140.020170.015200.0050.75-1.0080.010130.010180.002>1.00≤6≤0.005≤10≤0.005≤140細粒土的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C的參考值土類液性指標指標值

1Pc2、三軸剪切試驗

3

1Pc2、三軸剪切試驗

3

1Pc2.三軸剪切試驗

331總應(yīng)力表示法有效應(yīng)力表示法三軸剪切儀僅能控制排水條件，可以測量孔隙水壓力的變化，沒有規(guī)定的剪切面，受力條件比較符合實際，試驗結(jié)果準確該試驗儀器與設(shè)備操作較復雜，費用較高，還是會逐漸受到重視和推廣的三軸試驗的類型1、不固結(jié)不排水剪（UU-test）

Unconsolidated—Undrained2、固結(jié)不排水剪（CU）

Consolidated—Undrained3、固結(jié)排水剪（CD）

Consolidated—DrainedUUCUCDcUcCUcCDGDSTAS北方交通大學

5Hz/60kN100/150mm動三軸系統(tǒng)（中國科學院成都山地所）

STDTTS成都理工大學

第三節(jié)土的擊實性

土體在沒有擊實或壓實以前，抗剪強度較低，壓縮性大且很不均勻，遇水后還可能產(chǎn)生濕陷為滿足建筑物穩(wěn)定性的要求，必須用夯實和碾壓等方法使土體密實，使土的密度增大，強度增高，變形減小，透水性降低重錘法：采用80～400kN的重錘，從很高處(8～20m)自由落下，對土體進行強力夯實的方法青藏鐵路壓實路基廣州白云機場擴建工程京福高速公路擊實試驗是研究土的擊實性的常用方法通過擊實試驗找出土的干密度、含水率和擊實功之間的關(guān)系和基本規(guī)律，從而選定適合工程需要的土的干密度和與其相對應(yīng)的含水率擊實試驗是把某一含水率的土樣裝入擊實筒內(nèi)，按規(guī)定的落距和次數(shù)用擊錘打擊土，然后取出測其含水率和干密度用一種土配制成多個不同含水率的土樣做試驗，測得相應(yīng)的含水率和干密度，繪制出ρd—w關(guān)系曲線圖電動擊實儀手提式擊實儀取樣設(shè)備

在某一擊實功的作用下，當含水率較低時，隨含水率的增加，土的干密度有所增加；但當含水率較高時，隨含水率的增加，擊實土的干密度反而降低。ρd-w曲線上有一峰值，此點所對應(yīng)的干密度為最大干密度ρdmax，與之相對應(yīng)的含水率稱之為“最優(yōu)含水率”。當壓實土料的含水率為最優(yōu)含水率時，土的壓實效果最佳；當含水率小于或大于最優(yōu)含水率時，都達不到最佳的擊實效果。1.41.61.82.00481216202428含水量w（%）干密度ρd（g/cm3）飽和曲線含水量——干密度曲線土的最優(yōu)含水率與擊實功的大小有關(guān)

1、細粒土在不同擊實功的作用下，得到不同的擊實曲線。當改變擊實功時，曲線的基本形態(tài)不變，但其位置隨擊實功的增大而向左上方移動。說明用較大的擊實功在較小的最優(yōu)含水率的情況下，能獲得較大的干密度。擊實功對土的擊實性的影響

(2)、當含水率一定時，同一種土在不同的擊實功作用下其擊實效果也不同擊實功較小時，土的干密度隨擊實功的增大而迅速增加，以后隨著擊實功的逐漸增大，干密度卻增加緩慢。試驗曲線上轉(zhuǎn)折點的擊實功為“臨界功”，